香港城市大学 近藤云探测的示意图
信用:全民欣 几十年来，物理学家一直试图观察近藤云量子现象
一个国际研究小组最近开发了一种新设备，可以成功测量近藤云的长度，甚至可以控制它
这一发现可视为凝聚态物理的里程碑，并可能为理解高温超导体等多种杂质系统提供见解
这一突破是由来自CEMS理研中心、香港城市大学、韩国高级科技学院、东京大学和波鸿鲁尔大学的研究人员实现的
他们的研究结果发表在《自然》杂志上
近藤云是什么？ 近藤效应是20世纪30年代发现的物理现象
在金属中，随着温度的下降，电阻通常会下降
然而，如果金属中有一些磁性杂质，就会出现相反的结果
阻力一开始会下降
但是当它低于某个阈值温度时，电阻将随着温度的进一步降低而增加
这个难题在50多年前由日本理论物理学家近藤君解决，近藤君因其效应而得名
他解释说，当一个磁性原子(一种杂质)放在金属中时，它会产生自旋
但它不是只与一个电子耦合形成一对自旋上升和自旋下降，而是与它周围某些区域内的所有电子集体耦合，形成围绕杂质的电子云——这被称为近藤云
当电压加在上面时，电子不能自由移动或被近藤云屏蔽，导致电阻增加
该器件由一个与一维通道耦合的量子点组成，其中三个栅极嵌入距离为1
4微米，3
6微米和6
1微米从量子点制造障碍
学分:香港城市大学/自然 云有多大？ 近藤效应的一些基本性质已被实验证明，并发现与近藤温度(低温时电阻开始上升的临界温度)有关
然而，近藤云长度的测量还没有实现
理论上，近藤云可以从半导体中的杂质扩散出几微米
提出近藤云探测方法的理论学家、日本宇宙航空研究开发机构物理系的香孙辛教授评论说:“观测到的自旋云是一种微米大小的物体，具有量子机械波的性质和纠缠
这就是为什么尽管进行了长时间的搜寻，旋转云仍未被观测到
" “探测近藤云的困难在于，测量近藤效应中的自旋关联需要快速探测几十千兆赫
你不能冻结时间来观察和测量每个单独的电子
城市大学物理系助理教授伊万·瓦莱里耶维奇·博泽涅茨进行了这项研究的实验测量
在设备中隔离单个近藤云 由于纳米技术的进步，研究小组制造了一种装置，可以将不成对的电子自旋(磁性杂质)限制在量子点中，就像一个直径只有几百纳米的小导电岛
“由于量子点非常小，你可以准确地知道杂质在哪里，”博士说
Borzenets
连接到量子点的是一维长通道
不成对的电子被压缩，与这个通道中的电子耦合，在那里形成近藤云
“通过这种方式，我们在单一杂质周围分离出单一近藤云，我们也可以控制云的大小，”他解释说
该系统的新颖之处在于，通过在通道内距离量子点不同距离的不同点施加电压，它们沿着通道感应出“弱势垒”
研究人员随后观察到电子流动的变化和近藤效应随屏障强度和位置的变化
从实验中收集的数据(绿色、蓝色和紫色点)与理论结果(红色十字)进行比较，它们在同一条曲线上对齐
学分:香港城市大学/自然 秘诀在于振幅 通过改变电压，我们发现电导上升和下降，无论他们把屏障放在哪里
当电导发生振荡时，观测到了近藤温度的振荡
当研究人员绘制出近藤温度的振荡幅度与杂质的势垒距离除以理论云长的关系图时，他们发现所有的数据点都落在一条曲线上，正如理论预期的那样
“我们已经实验性地证实了近藤云长的原始理论结果，它是以微米为单位的，”博士说
Borzenets
“我们第一次通过直接测量近藤云的长度来证明云的存在
我们找到了近藤云的大小和近藤温度之间的比例因子
" 提供对多种杂质系统的洞察 该团队花了近三年时间进行这项研究
他们的下一步是调查控制近藤邦的不同方式
“可以对设备进行许多其他操作
例如，我们可以同时使用两种杂质，看看当云重叠时它们会如何反应
我们希望这一发现能为理解多种杂质系统，如近藤晶格、自旋玻璃和高转变温度超导体提供见解
" 根据Dr
领导这项国际合作的RIKEN CEMS团队负责人山本道久说:“能够获得近藤云的真实空间图像是非常令人满意的，因为这对于理解包含多种磁性杂质的各种系统是一个真正的突破
这一成就只有通过与理论家的密切合作才成为可能
" “人们发现半导体中近藤云的尺寸比半导体器件的典型尺寸要大得多
这意味着云可以调节量子点中遥远自旋之间的相互作用，这是基于半导体自旋的量子信息处理的必要协议
这种由近藤云介导的自旋-自旋相互作用是独特的，因为它的强度和符号(两个自旋支持平行或反平行配置)都是电可调的，而传统的方案不能反转符号
这为设计自旋屏蔽和纠缠开辟了一条新的途径，”山本博士解释道
“从基础和技术的角度来看，这样一个大的量子物体现在可以被创造、控制和探测，这是非常了不起的，”辛香孙教授总结道
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